Brandverhalten von Rohrbefestigungen

Leistungsfähigkeit von Rohrbefestigungen

Montageschienen und darauf basierende Schienensystembaukästen sind heute im Bereich der Technischen Gebäudeausrüs­tung von besonderer Bedeutung. Sie leisten einen wichtigen Beitrag zur Befestigung von medienführenden Leitungen aller Art. Dies betrifft Installationen von Trinkwasser, Abwasser, Heizung und Lüftung ebenso wie die Verteilung von Prozessmedien im industriellen Umfeld wie z. B. Druckluft, Kühlleitungen oder auch medizinischen Gasen. So kommen solche Schienensysteme heute auch flächendeckend in öffentlichen Bauvorhaben, wie z. B. in Krankenhäusern oder Flug­häfen, zum Einsatz. Spätestens in solchen Anwendungsfällen – aber nicht nur dort – treten Fragen des baulichen Brandschutzes in den Fokus. Die Beurteilung des Verhaltens von Montage­schienensystemen im Brandfall ist also von zentraler Bedeutung.

Die RAL Gütegemeinschaft Rohr­befestigung hat bereits zwei wichtige technische Regelwerke zur Beurteilung der Leistungsfähig­keit von Rohrbefestigungen veröffentlicht: Die Güte- und Prüf­be­stim­mungen RAL-GZ 655 „Rohrbefestigung“ definieren die mechanische Bewertung von Rohrschellen, Montageschienen, Kon­solen und darauf basierenden Konstruktionsbaukästen. Ergänzt wird dies durch die RAL-GZ 656 „Brandgeprüfte Rohrbefestigung“, welche Vorschriften zur Bewertung des Verhaltens unter Brandein­wir­kung enthält. Die Einhaltung dieser Vorschriften wird durch die Gütegemeinschaft überwacht und durch die Verleihung eines Güte­zeichens dokumentiert. Die RAL-Gütesicherung RAL-GZ 656 „Brandgeprüfte Rohrbefestigung“ enthält bisher nur Vorschriften für die Bewertung und Beurteilung von Rohrschellen unter Brand­einwirkung. Eine Erweiterung des Geltungsbereiches auf Mon­tage­schienen, Konsolen und Konstruktionsbaukästen ist in Vor­bereitung.

Bei Montageschienen müssen insbesondere die Resttragfähigkeit und die auftretende Verformung im Brandfall bewertet werden. So kann ein unkontrolliertes Absenken oder Herabstürzen einer Rohrtrasse verhindert werden. Dies ermöglicht auch die Erfüllung der Anforderungen aus der (M)LAR für die Montage von Schie­nen­konstruktionen in Flucht- und Rettungswegen.

Montageschienen im Brandofen

Hierzu wurde bei der MPA Braunschweig ein wichtiger Grundla­gen­versuch durchgeführt. Bei diesem Versuch wurden Montageschienen verschiedener Hersteller unter Brandbedingungen in einem Brandofen geprüft. Die Auswahl der geprüften Montageschienen erfolgte dabei so, dass jeweils Paare von Schienen unterschiedlicher Hersteller mit unterschiedlicher Geometrie, aber ähnlichem Widerstandsmoment nebeneinander geprüft wurden. Dies dient auch der Überprüfung des Geometrieeinflusses auf das Brand­verhalten der Schienen.

In DIN EN 1993 „Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauteilen“ findet man Abminderungsfaktoren für wichtige Werkstoffeigenschaften im Brandfall. Für die Proportionalitäts- und die Fließgrenze sowie das E-Modul sind entsprechende tem­peratur­abhängige Abminderungsfaktoren enthalten. Hierüber lassen sich diese Werk­stoffeigenschaften für gewünschte Tempera­tu­ren abschätzen und die Stabilität eines Hochbau-Tragwerks im Brandfall rechnerisch beurteilen. Für Montageschienen hatte die Gütegemeinschaft im Vorfeld umfangreiche Vorversuche zum Werkstoff- und Bauteil­verhalten unter Temperatureinfluss durchgeführt.

Während bei schweren, warmgewalzten, dickwandigen Bautei­len – wie z. B. einem HEM(IPBv)-300-Träger – im Hochbau sehr einfach von der direkten Anwendung der in DIN EN 1993 genannten Abminderungsfaktoren im Brandfall ausgegangen werden kann, erfordert die Anwendung dieser Norm für leichte, kaltprofilierte, dünnwandige Filigranbauteile besonderen Sachverstand und umfassende Anwendungs- und Produkt­kenntnis. So wiesen einzelne Vorversuche von Herstellern teilweise auch auf eine höhere als die er­wartete Tragfähigkeit hin. Dies sollte ebenfalls untersucht werden.

Die Festlegung der für die Prüfung relevanten Arbeitspunkte (Last/Temperatur) erfolgte unter Nutzung der im „Eurocode 3“ de­finierten Werte. Als Prüfverfahren wurde eine Brandprüfung nach DIN EN 1363 unter Nutzung der Einheits-Temperaturkurve (ETK) gewählt. Es wurden Auslegungen für Brandzeiten von 30 (842 °C nach ETK) bis 90 Minuten (1006 °C) errechnet. Hierbei wurden Lasten für rechnerische Spannungen in Höhe von jeweils 100 und 120 % der Proportionalitäts- und der Fließgrenze bestimmt. Die Prüflasten wurden über Gewichte aufgebracht. Als Spannweiten wurden 1.250, 1.800 und 2.500 mm genutzt. Die Brandprüfung lief dann über 120 Minuten. Während dieser Prüfzeit wurden die Temperatu­ren und Verformungen der Bauteile kontinuierlich erfasst.

Ein großes Problem bei der Durchführung von Brandprüfun­gen können die Fehlereinflüsse sein. Dies bedarf immer beson­de­rer Beachtung und Sorgfalt. Um die Fehlereinflüsse auf das Ergebnis möglichst gering halten zu können, wurde beim vor­lie­genden Grundlagenversuch ein enormer messtechnischer Aufwand getrieben. So wurden zusätzliche Temperatursensoren in jeder Montageschiene, in den Auflagerkonstruktionen und zur Temperaturfelderfassung innerhalb des Brandofens genutzt. Die Genauigkeit der Bauteiltemperaturmessung war bereits in Vorversuchen untersucht und bestätigt worden. Die Erfassung der Verformungen der Schienen und die Kontrollmessungen an den Auflagern wurden mittels Quarzglas-Prüfstäben und außenliegenden elektronischen Wegaufnehmern realisiert. Die Nutzung von Quarzglas anstelle der sonst üblichen preiswerteren Keramikprüfstäbe erhöhte die Genauigkeit der Verformungsmessung signifikant, da Quarzglas nur ein zehntel der Wärmeausdehnung von Keramik aufweist.

Da die Auslegung der Prüfkörper mittels Berechnung erfolgte, musste im Vorfeld sichergestellt sein, dass mit den realen Parametern der Prüfkörper gearbeitet wird. Aus diesem Grunde wurden alle Schienen vor dem Brandversuch vermessen; auch die Werkstoffdaten aller Schienen wurden vor und nach dem Brandversuch ermittelt, um sicherzustellen, dass alle Berechnungen auf Basis realer Fakten durchgeführt werden. Aber auch der Prüfaufbau selbst war auf minimalen Fehlereinfluss hin optimiert worden.

Die Auswertung des Versuchs ist sehr aufwendig. Es liegen mehr als 130.000 Messdaten vor. Für praktisch jeden Zeitpunkt des Versuchs kann ein direkter Vergleich der beobachteten Verformung mit der erwarteten errechneten Verformung durchgeführt werden. Bis zum Stabilitätsversagen jeder Schiene ergibt sich somit ein klares Bild. Aufgrund der umfangreichen, hochpräzisen Messdaten können die erstellten Theorien zum Versagen und zur Tragfähigkeit von Montageschienen im Brandfall ausreichend evaluiert werden. Hierdurch entstehen auf Basis anerkannter Gesetze der technischen Mechanik und der Werkstoffkunde mithilfe umfangreicher Messergebnisse neue, direkt für die Praxis nutzbare Auslegungs- und Bemessungsregeln für Montageschienen im Brandfall.

Erste Ergebnisse

Obwohl die Ergebnisse dieses ersten Grundlagenversuchs noch nicht abschließend ausgewertet sind, zeigen sich bereits erste interessante Ergebnisse.

Ziel der Gütegemeinschaft ist es, eine umfassende und systema­tische Bewertung des Brandverhaltens von Montageschienen zu erarbeiten. Dieses Regelwerk soll dann die in RAL-GZ 656 „Brandgeprüfte Rohrbefestigung“ definierten Regeln ergänzen. Vor seiner Veröffentlichung muss das Regelwerk noch ein Anerkennungs- und Prüfungsverfahren bei RAL – dem Deutschen Institut für Gütesicherung und Kennzeichnung – durchlaufen. Mit dem neuen Regelwerk wird eine erweiterte Planungssicherheit für die Auslegung von Montageschienen im Brandfall geschaffen werden.

Die Veröffentlichung des neuen Regelwerkes beim Beuth Verlag wird im Jahr 2016 erwartet. Kurz darauf werden die ersten Hersteller eine Prüfung und Beurteilung ihrer Montageschienen bei der Gütegemeinschaft beantragen. Mit der Vergabe der ersten Gütezeichen für brandgeprüfte Montageschienen rechnet die Gütegemeinschaft bereits im Herbst 2016.